總線智能儀表溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引 言

　　隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬儀表逐步讓步于智能化數(shù)字儀表，并具備數(shù)字化通信功能。

　　依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的氧化鋯智能氧量分析儀，其溫度控制系采用了專家PID控制原理，提高了加熱速度與準(zhǔn)確性。

　　1 總智能氧量分析儀結(jié)構(gòu)

　　基于CAN總線的智能氧量分析儀以單片C8051F040為中央控制器，系統(tǒng)擴(kuò)展的外圍電路及接口電路數(shù)量少，系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性較高，系統(tǒng)功能擴(kuò)展及軟硬件升級(jí)比較方便。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見圖1。外圍硬件電路主要包括六部分：系統(tǒng)校正、數(shù)據(jù)采集、溫度控制、日歷時(shí)鐘、帶觸摸的液晶顯示、CAN總線接口。

　　圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　帶觸摸屏的液晶顯示器提供了一個(gè)強(qiáng)有力的人機(jī)接口，有關(guān)信號(hào)、可調(diào)參數(shù)都能在上面顯示和修改。本系統(tǒng)采用穩(wěn)壓電源，具有電源電壓的適用范圍大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。主機(jī)是一種以單片機(jī)為基礎(chǔ)的智能儀表，所有的運(yùn)算、處理和控制都由軟件完成。氧電勢(shì)、溫度信號(hào)的輸人轉(zhuǎn)換和電流輸出的轉(zhuǎn)換采用模塊化元件。這些元件具有可靠性高、精度高的特點(diǎn)。由于使用的元件集成度較高，使整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性提高，使用、維護(hù)和維修方便。氧電勢(shì)和溫度信號(hào)經(jīng)各自的處理模塊轉(zhuǎn)換成0～5V信號(hào)，并由多路開和A／I）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)根據(jù)“能斯特”公式計(jì)算出氧量。系統(tǒng)設(shè)有PID溫度調(diào)節(jié)功能，并通過固態(tài)繼電器控制加熱爐。系統(tǒng)還設(shè)有組態(tài)開關(guān)，能使儀表工作在不同的方式下。

　　2 溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　Cygnal公司的51系列單片機(jī)C8051F040是集成在一塊芯片上的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)，在一個(gè)芯片內(nèi)，集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制的智能節(jié)點(diǎn)所需要的模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件，代表了目前8位單片機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。芯片上有1個(gè)12位和1個(gè)8位多通道ADC，2個(gè)12位DAC，2個(gè)電壓比較器，1個(gè)電壓基準(zhǔn)，1個(gè)32kB的FLASH存儲(chǔ)器，與MCS-51指令集完全兼容的高速CIP一51內(nèi)核，峰值速度可達(dá)25MIPS，并且還有硬件實(shí)現(xiàn)的UART串行接口和完全支持CAN2．0A和CAN2．0B的CAN控制器。

　　C8051F040的18，19腳分別為AIN0．0和AIN0．1引腳，由于C8051F040片內(nèi)具有ADC模塊，因此溫度信號(hào)可直接經(jīng)外圍濾波、放大電路后輸入AIN0．0和AIN0．1引腳，AMUX的工作模式選擇單端輸入模式。選用熱電偶作為溫度傳感器，其電壓經(jīng)信號(hào)放大后，送人C8051F040的A／D端，轉(zhuǎn)換后與給定溫度值比較，按PID調(diào)節(jié)算法和脈寬調(diào)功法，計(jì)算出該時(shí)刻的值，經(jīng)光電隔離和功率放大后，通過控制大功率交流固態(tài)繼電器（過零型）的通斷時(shí)間來(lái)控制加熱的功率，達(dá)到溫度控制的目的。冷端測(cè)溫元件采用集成溫度傳感器AD590，所測(cè)溫度由AD590溫度傳感器檢測(cè)，經(jīng)電壓放大后直接送至單片機(jī)C8051F040的AIN0．1輸入口。

　　3 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 溫度控制過程分析

　　加熱通斷的最小周期為10ms，加熱最短脈沖長(zhǎng)度為10ms，PID控制輸出為加熱脈沖數(shù)。誤差越大，加熱脈沖數(shù)值就越大；誤差小，加熱脈沖數(shù)就小。為使PID的輸出有一定的可調(diào)節(jié)范圍，采樣周期，太小會(huì)使得控制量的范圍很窄；但也不能過大，否則會(huì)降低控制精度。綜合各方面的考慮及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，采樣周期定為2s，這樣，PID輸出的最大脈沖量（在一個(gè)控制周期內(nèi)）為200。

　　系統(tǒng)的加熱過程分為三部分：第一，升溫起始階段或溫差大時(shí)，采取全功率加熱，使加熱元件快速升溫；第二，溫度變化劇烈時(shí)，采取關(guān)斷輸出，讓溫度在慣性作用下向下一階段過渡。因?yàn)殡姛嵩髧?yán)重，當(dāng)溫度上升過快時(shí)，會(huì)導(dǎo)致下一階段控制失效或嚴(yán)重超調(diào)；第三，溫度偏差和溫度變化在一定范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)專家智能在線調(diào)整PID參數(shù)，達(dá)到快速精確控制。

　　3.2 專家PID控制器的原理

　　溫度控制系統(tǒng)具有非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變、時(shí)滯等特性，采用常規(guī)PID控制難以兼顧高精度與快速性的雙重要求。本文提出專家式智能與PID相結(jié)合的復(fù)合控制方法，將專家經(jīng)驗(yàn)和PID控制定量調(diào)節(jié)特性充分運(yùn)用于控制過程中。該總線智能氧量分析儀要求系統(tǒng)控溫范圍為680～760℃，穩(wěn)定后溫度波動(dòng)不超過1℃。為了實(shí)現(xiàn)快速精確的溫度控制，根據(jù)被控對(duì)象的特性建立專家系統(tǒng)PID控制方式，如圖2所示。

　　圖2 專家智能PID復(fù)合控制器的原理框圖

　　本專家控制器的推理結(jié)構(gòu)采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的正向推理策略。產(chǎn)生式規(guī)則采用IFe（n）ANDe（n）TNout（n）形式。專家系統(tǒng)的關(guān)鍵是專家知識(shí)的建立、確定。知識(shí)獲取，有些來(lái)自工藝人員的長(zhǎng)期總結(jié)，有些借助于控制領(lǐng)域的知識(shí)和分析。

　　把專家系統(tǒng)和PID控制器結(jié)合，利用專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)輸出修正PID參數(shù)，改變PID控制方式以達(dá)到最佳PID控制效果。根據(jù)對(duì)象特性及設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了99條控制規(guī)則，并預(yù)先將規(guī)則下的調(diào)整方法及調(diào)整參數(shù)存儲(chǔ)于控制器中。專家控制規(guī)則根據(jù)當(dāng)前偏差e（n）及其變化率△e（n）的大小，決定控制方式和是否需修改比例系數(shù)K P、積分增益KI和微分增益KD?？刂七^程中，控制器不需按系統(tǒng)辨識(shí)結(jié)果或某一目標(biāo)函數(shù)整定PID參數(shù)，而是按當(dāng)前狀態(tài)對(duì)基本PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整即：

　　Kj＝aTjKOj，J=P，I，D

　　式中KP，KI和KD分別為基本比例、改進(jìn)積分和微分增益； aTP，aTI和aTD分別為當(dāng)前調(diào)整狀態(tài)下的比例、積分和微分項(xiàng)修正系數(shù)。

　　3.3 軟件流程

　　系統(tǒng)軟件采用C51語(yǔ)言，在Silicon Laboratories集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編譯連接。

　　該儀表的溫度量程為0～1000℃，溫度控制為700℃±1℃，溫控定值為680～760℃，并且連續(xù)可調(diào)，當(dāng)溫度大于800℃時(shí)，啟動(dòng)斷偶保護(hù)功能。數(shù)據(jù)的采集用多次測(cè)量求平均值的方法來(lái)避免測(cè)量誤差。

　　4 結(jié) 論

　　本文設(shè)計(jì)的基于現(xiàn)場(chǎng)總線智能氧化鋯氧量分析儀具有自動(dòng)化水平高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于電站鍋爐及煤焦?fàn)t等熱力設(shè)備生產(chǎn)效率的提高具有顯著的作用。試驗(yàn)表明該溫度控制系統(tǒng)具有測(cè)量范圍寬、使用溫度高、運(yùn)行可靠、測(cè)量及時(shí)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了以往儀表不穩(wěn)定、易損壞等缺點(diǎn)。該方法加以適當(dāng)修改，也可應(yīng)用于其它溫度控制系統(tǒng)中。